1、長春大學長春大學 課題設計紙 裝訂線電阻爐溫度控制系統設計電阻爐溫度控制系統設計 摘要摘要 電阻爐是工農業生產中常用的電加熱設備,廣泛應用于冶金、機械、建材等行業，而大功率的電阻爐則應用在各種工業生產過程中。然而，大多數電阻爐存在著各種干擾因素，將會給工業生產帶來極大的不便。因此，在電阻爐溫度控制系統的設計中，應盡量考慮到如何有效地避免各種干擾因素而采用一個較好的控制方案，選擇合適的芯片及控制算法是非常有必要的。溫度傳感器采用了數字式溫度傳感器 DS18B20，對溫度進行實時采樣并將模擬信號轉換成數字信號返回給單片機。系統可通過鍵盤對電阻爐溫度進行預設，單片機根據當前爐內溫度和預設溫度進行比較

2、結果，在進行 PID 運算，控制輸出寬度可調的 PWM 方波，并由此控制固態繼電器的導通和關斷來調節電熱絲的加熱功率，當爐內溫度過高與過低的時蜂鳴器將進行報警，從而使爐內溫度迅速達到預設值并保持恒定。 關鍵詞關鍵詞 溫度檢測，單片機，溫度控制長春大學長春大學 課題設計紙 裝訂線Design of Resistance Furnace Temperature Control System Abstract Resistance furnace is commonly used in industrial and agricultural production electric heating e

3、quipment, widely used in metallurgy, machinery, building materials industry, and high power electric resistance furnace is applied in all kinds of industrial process. However, there are all kinds of interference factors, most of the resistance furnace will bring great inconvenience to the production

4、 of industry. Therefore, in the design of resistance furnace temperature control system, should consider how to effectively avoid as far as possible all kinds of interference factors and use one of the better control scheme, select the appropriate chips and control algorithm are necessary. Temperatu

5、re sensor using the digital temperature sensor DS18B20, the temperature of the real-time sampling and converting analog signals into digital signals back to the single chip microcomputer. System of resistance furnace temperature through keyboard Keyword temperature measurement，single chip microcompu

6、ter，temperature contro長春大學長春大學 課題設計紙 裝訂線目 錄第 1 章 前言 .1第 2 章 確定系統方案 .2 2.1 系統設計要求.2 2.2 系統設計方案.2第 3 章 系統硬件設計 .3 3.1 單片機系統.3 3.1.1 STC89C52 簡介 .3 3.1.2 晶振電路.5 3.1.3 復位電路.5 3.2 溫度檢測電路 .6 3.3 溫度控制電路 .6 3.4 鍵盤顯示電路 .7 3.5 報警電路.8 第 4 章 PID 控制設計.9 4.1 PID 算法設計.9 4.2 PID 程序設計.10第 5 章 系統軟件設計 .12 5.1 系統程序流程圖 .

7、12 5.2 系統程序 .12第 6 章 總結 .19參 考 文 獻.20長春大學長春大學 課題設計紙 第 1 頁 共 20 頁 裝訂線第第 1 章章 前言前言1.11.1 設計目的設計目的本次課設設計一個電阻爐溫度控制系統，利用微機控制系統完成電阻爐的檢測、處理及數字控制計算，根據數據結果進行相應的處理，從而改變電阻爐的加熱功率，達到控制溫度的目的。1.21.2 研究現狀研究現狀溫度是生產過程和科學實驗中非常普遍而又十分重要的物理參數。在工業生產過程中，為了高效地進行生產，必須對生產工藝過程中的主要參數，如溫度、壓力、流量、速度等進行有效的控制，其中溫度控制在生產過程中占有相當大的比例。準確

8、地測量和有效地控制溫度是優質、高產、低耗和安全生產的重要條件。如冶金工業的加熱爐、電力工業的鍋爐、化學工業的反應爐等設備，通過對溫度的監控，保證產品的質量；即使日常生活中的微波爐、電烤箱、電熱水器、空調等家用電器也同樣需要溫度監控。可見溫度控制電路廣泛應用于社會生活的各個領域，所以對溫度進行控制是非常有必要和有意義的。但由于溫控設備自身的一些特點，如慣性大、滯后現象嚴重、難以建立精確的數學模型等，傳統的 PID 控制由于其參數恒定，不能及時跟蹤對象特性變化，造成控制系統性能不佳。本課題的設計方案具有可行性和一定的推廣性，若能應用與實際生產中，將對提高企業自動化水平、降低生產成本、減輕工人勞動強

9、度等方面起到積極的促進作用。電阻爐是熱處理生產中應用最廣泛的加熱設備，它在機械、冶金等行業的生產中占有十分重要的地位對電阻爐溫度控制的好壞直接影響工藝要求的溫度水平和加熱質量，以致直接影響產品的質量、產量和生產消耗指標，所以國內外關于電阻爐自動控制的研究一直備受重視，發展也比較快。長春大學長春大學 課題設計紙 第 2 頁 共 20 頁 裝訂線第第 2 章章 確定系統方案確定系統方案2.1 系統設計要求系統設計要求1、現場溫度值可處理2、溫度范圍為 201003、系統有必要的保護和報警4、溫度值要有顯示5、誤差范圍12.2 系統設計方案系統設計方案 方案一采用 PLC 實現溫度控制。由于 PLC

10、 成本高且外圍系統配置復雜，不利于我們的設計。方案二采用單片機實現電阻爐溫度控制。該方案成本低，可靠性高，但對于系統的動態性能與穩態性能要求較高的場合是不適用的。因此我們基于 PID 控制原理給出了積分分離 PID 控制器的方法。將積分分離和 PID 控制相結合，可以確定此方案可行。本系統以 STC89C52 為核心，以 KEIL 為程序開發平臺，以 C 語言進行程序設計。所設計的溫度控制主要由單片機、溫度檢測模塊、溫度控制模塊、溫度顯示模塊、按鍵設定模塊、報警模塊等組成。設計方案見圖 2.1圖溫度傳感器DS18B20STC89C52單片機基本控制系統數碼管顯示鍵盤雙向可控硅電爐加熱器采集報警

11、保護電路長春大學長春大學 課題設計紙 第 3 頁 共 20 頁 裝訂線圖 2.1 總體設計方案框圖第第 3 章章 系統硬件設計系統硬件設計3.1 單片機系統單片機系統單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器 CPU、隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D 轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。 3 .1.1 STC89C52 簡介簡介STC89C52 是一種低功耗，高性能 CMOS 微控制器（如圖 3.1）提供以下標

12、準功能：8K 字節閃存器，256 字節內部 RAM，32 個 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，3 個 16 位定時/計數器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。并支持兩種軟件可選的節電工作模式，空閑方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時/計數器，串性通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存 RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個中斷或硬件復位為止。長春大學長春大學 課題設計紙 第 4 頁 共 20 頁 裝訂線圖 3.1 STC89C52 引腳圖P0 口：P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收

13、8TTL 門電流。當P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在 FIASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。P1 口：P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2 口：P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向

14、I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當 P3 口寫入“

15、1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低 8 位字節。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時

16、，ALE只有在執行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態 ALE 禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機長春大學長春大學 課題設計紙 第 5 頁 共 20 頁 裝訂線器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號將不出現。/EA/VPP：當/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH） ，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時，/EA 將內部鎖定為 RESET；當/EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLAS

17、H 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3 .1.2 晶振電路晶振電路單片機外接晶振后，就構成了自激振蕩器，并產震蕩時鐘，為單片機提供穩定的時鐘。而且單片機每條指令的運行都是嚴格按照機器周期來執行的，機器周期就是由晶振電路（如圖 3.2）提供的。圖 3.2 晶振電路圖3.1.3 復位電路復位電路單片機復位電路（如圖 3.3）就好比電腦的重啟部分，當電腦在使用中出現死機，按下重啟按鈕電腦內部的程序從頭開始執行。單片機也一樣，當單片機系統在運行中，受到環境干擾出現程序跑飛的時候，按下復位按鈕內部的

18、程序自動從頭開始執行。按鍵復位就是在復位電容上并聯一個開關，當開關按下時電容被放電、RST 也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復位。長春大學長春大學 課題設計紙 第 6 頁 共 20 頁 裝訂線圖 3.3 復位電路圖3.2 溫度檢測電路溫度檢測電路本設計溫度檢測電路采用數字傳感器 DS18B20，DS18B20 是一種可組網的單線數字溫度傳感器，它采用單線總線結構，集溫度測量和 A/D 轉換于一體，直接輸出數字量，用一根 I/O 線就可以傳送數據與命令，其溫度測量范圍為-55+125，精度為+/-0.5，供電電壓范圍為 3.35.5V，通過編程，實現 912

19、位分辨率讀出溫度數據。檢測電路如圖 3.4 所示圖 3.4 溫度檢測電路圖3.3 溫度控制電路溫度控制電路本文溫度檢測電路（圖 3.5）采用固態繼電器 SSR，固態繼電器 SSR 是一種無觸點通斷電子開關，它利用電子元件 (如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件)的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，為四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端。為實現輸入與長春大學長春大學 課題設計紙 第 7 頁 共 20 頁 裝訂線輸出之間的電氣隔離，器件中采用了高耐壓的專業光電耦合器。當施加輸入信號后，其主回路呈導通狀態，無信號時呈阻斷狀態。整個器件無可動部件及觸點，可實現

20、相當于常用電磁繼電器一樣的功能。單片機端口輸出的 PWM 方波控制固態繼電器 SSR 的開斷，從而控制電阻爐的開斷頻率，控制電熱絲功率的變化，以達到加熱目的。圖 3.5 溫度控制電路圖3.4 鍵盤顯示電路鍵盤顯示電路鍵盤顯示電路（如圖 3.6）設定部分主要是鍵盤輸入，此部分主要由兩個按鍵組成，PLAS 為加，SUBS 為減，當系統啟動時，默認設定溫度為 20，當按下PLAS 時設置電阻爐溫度增加，按下 SUBS 時設置電阻爐溫度減小。此部分按鍵為常開按鈕，當不觸發時為斷開狀態，按鍵按下之后與地連接，故為低電平，單片機讀取按鍵數據為低電平時有效。DS18B20 檢測到的溫度與設定溫度進行比較，單

21、片機根據當前爐內溫度和預設溫度進行比較結果，進行 PID 控制運算，運算后的溫度值用數碼管進行實時顯示。長春大學長春大學 課題設計紙 第 8 頁 共 20 頁 裝訂線圖 3.6 鍵盤顯示電路3.5 報警電路報警電路報警電路的結構比較簡單，只是一個蜂鳴器模塊。我們要求的溫度在一定的范圍內為安全溫度，我們設置為 20100，當測量值在正常范圍內時，程序控制 P20 輸出低電平，音頻信號不發聲，當達到一定的上界或者下界時，報警電路開始工作，P2.0 同時為高電平，音頻發音告警，操作人員觀察音頻發生器是否發音，就可知道被測量器件工作是否正常。報警電路如圖 3.7 所示。圖 3.7 報警電路長春大學長春

22、大學 課題設計紙 第 9 頁 共 20 頁 裝訂線第第 4 章章 PID 控制設計控制設計4.1 PID 算法設計算法設計對溫度的控制算法，采用技術成熟的PID算法，對于時問常數比較大的系統來說，其近似于連續變化，因此用數字PID完全可以得到比較好的控制效果。簡單的比例調節器能夠反應很快，但不能完全消除靜差，控制不精確，為了消除比例調節器中殘存的靜差，在比例調節器的基礎上加入積分調節器，積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結果，在誤差不變的情況下，積分器還在輸出直到誤差為零，因此加入積分調節器相當于能自動調節控制常量，消除靜差，使系統趨于穩定。積分器雖然能消除靜差，但使系統響應速度變慢。進一步

23、改進調節器的方法是通過檢測信號的變化率來預報誤差，并對誤差的變化作出響應，于是在P1調節器的基礎上再加上微分調節器，組成比例、積分、微分(PID)調節器，微分調節器的加入將有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定，同時加快了系統的穩定速度，縮短調整時間，從而改善了系統的動態性能，其控制規律為：1001pdideuKeedtTuTdt單片機是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的誤差值計算控制變量，不能直接計算公式中的積分項和微分項，采用數值計算法逼近后，PID 的調節規律可以通過數值公式為：100()idpijiijiTTuKeeeeuTT如果采樣取得足夠小，這種逼近可相當準確，被控過程與連續過程

24、十分接近。我們變換上式得：211miiipiiiu uuuKeIeDe 把，帶入上式得：1iiieee21iiieee 1112()(2)ipiiiiiiuuKeeIeDeee 試中 ei=W-Yi,W設定值，Yi為第i次實際輸出值， Kp為比例系數，積分系數I=T/Ti,微分系數D=T/Td,T為采樣周期。用PID控制算法實現鍋爐溫度控制是這樣一個反饋過程：比較實際爐溫和設定爐溫得到偏差，通過對偏差的處理獲得控制信號，再去調節爐子的加熱功率，長春大學長春大學 課題設計紙 第 10 頁 共 20 頁 裝訂線從而實現對爐溫的控制，由于電阻爐一般都是下一階段對象和帶純滯后的一階對象，所以式中Kp、

25、Kd和Ki的選擇取決于電阻爐的響應特性和實際經驗。本程序先將用戶設定溫度和電阻爐實際溫度T比較，計算出偏差ei，然后分兩種情況進行計算控制變量：(1) 大于等于設定的偏差e時，由于積分控制器使系統響應速度變慢，不采ie用積分控制器調節，直接使用PD調節，獲得比較快的動態響應，計算Pd和Pp，最終得到控制量獲得比較快的動態響應。(2) 小于設定的設定的偏差 e 時，正常的分別計算 Pi、Pd 和 Pp,然后根據ie算法公式計算出控制變量?？刂屏鞒虉D如圖4.1所示。圖 4.1 PID 控制流程圖4.2 PID 程序設計程序設計PID 算法函數 void PID(void)，根據誤差的大小算出固態繼

26、電器的導通時間。程序如下：void PID()長春大學長春大學 課題設計紙 第 11 頁 共 20 頁 裝訂線uchar Ctrhab20=8，15，2O，4O，5O，6O，7O，80，100，120，140，160，180，200； 控制時間參數表kp=200；kd=3；ki=10； 初始化PID參數 tempsv=controlnum；temppv=T；讀入實際、設定溫度e2=temsvtemppv；計算誤差e0 =el；el=e2；u0=u； 誤差及輸出量的轉賦P=e2一el； 計算P值D=kd*(e22el+e0)； 計算D值if(e2=50) I=kp+e2；判斷采用PD還是PID控

27、制else I=0；u=kp(P+I+D)+uO；controltime=ctrhabu；查表賦控制時間長春大學長春大學 課題設計紙 第 12 頁 共 20 頁 裝訂線第第 5 章章 系統軟件設計系統軟件設計5.1 系統程序流程圖系統程序流程圖系統流程圖如圖 5.1 所示。開始系統初始化初始化 DS18B20讀取溫度數據等待定時中斷控制算法控制輸出脈沖溫度設定YN顯示溫度鍵盤按下？圖 5.1 程序流程圖5.2 系統程序系統程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int長春大學長春大學 課題設計紙 第

28、13 頁 共 20 頁 裝訂線sbit ds=P22; /溫度傳感器信號線sbit dula=P26; /數碼管段選線sbit wela=P27; /數碼管位選線sbit beep=P23; /蜂鳴器uint temp; /定義整型的溫度數據float f_temp; uint warn_11=200; /定義溫度的下限值uint warn_12=1000; /定義溫度的上限值 0sbit s1=P10; /鍵盤sbit s2=P12;sbit pwm=P16;unsigned char code table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,

29、0 x07,0 x7f,0 x6f, /0-9 帶小數點0 xbf,0 x86,0 xdb,0 xcf,0 xe6,0 xed,0 xfd,0 x87,0 xff,0 xef; /不帶小數點void delay(uint z) / 延時函數uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);viod dsreset(void) /DS18B20 復位，初始化函數uint i;ds=0;i=103;while(i0)i-;ds=1;i=4;while(i0)i-;bit tempreadbit(void) /讀一位數據函數uint i;bit dat;ds=0;i+;

30、ds=1;i+;i+;dat=ds;i=8;while(i0)i-;return(dat);uchar tempread(void) /讀一個字節數據函數uchar i,j,dat;長春大學長春大學 課題設計紙 第 14 頁 共 20 頁 裝訂線dat=0;for(i=1;i=8;i+)j=tempreadbit();dat=(j1); return(dat);Void keyscan() /鍵盤if(s1=0)warn_11+;If(s2=0)warn_12+;void tempwritebyte(uchar dat) uint i;uchar j;bit testb;for(j=1;j1;

31、if(testb)ds=0;i+;i+;ds=1;i=8;while(i0)i-;elseds=0;i=8;while(i0)i-;長春大學長春大學 課題設計紙 第 15 頁 共 20 頁 裝訂線ds=1;i+;i+;void tempchange(void) /DS18B20 開始獲取溫度并轉換dsreset();delay(1);tempwritebyte(0 xcc);tempwritebyte(0 x44);uint get_temp() /讀取寄存器中存儲的溫度數據uchar a,b;dsreset();delay(1);tempwritebyte(0 xcc);tempwriteb

32、yte(0 xbe);a=tempread();b=tempread();temp=b;temp=8;temp=templa;f_temp=temp*0.0625;temp=f_temp*10+0.5;f_temp=f_temp+0.05;return temp;void display(uchar num,uchar dat) /數據顯示程序uchar i; dula=0;P0=tabledat;dula=1;dula=0;wela=0;i=0XFF;i=i&(0X01)warn_12) /大于 100 度，蜂鳴器響warn(40);dis_temp(get_temp();pwm=1

33、;delay(10000);else if(t=50) I=kp+e2；判斷采用 PD 還是 PID 控制else I=0；u=kp(P+I+D)+uO；controltime=ctrhabu；查表賦控制時間void init_com(void) /串口初始化TMOD=0 x20;PCON=0 x00;SCON=0 x50;TH1=0 xFd;TL1=0 xFd;TR1=1;void comm(char*parr) do長春大學長春大學 課題設計紙 第 18 頁 共 20 頁 裝訂線SBUF=*parr+;while(!TI);TI=0;while(*parr);void main() /主函數uchar buff4,i;dula=0;wela=0;init_com();while(1)tempchange(); /溫度轉換函數for(i=10;i0;i-)dis_temp(get_te